Resistência e vulnerabilidade sísmica dos edifícios

Como tem sido comprovado ao longo da história, as perdas humanas, sociais e económicas causadas por sismos intensos devem-se, em grande parte, ao dano excessivo nas construções e ao colapso de edifícios, pelo que a resistência sísmica dos edifícios desempenha um papel fundamental no contexto da protecção das sociedades. Esta protecção apenas pode ser assegurada se, para além de se atribuir às construções novas a resistência sísmica adequada, se reduzir a vulnerabilidade, nalguns casos extremamente elevada, das construções mais antigas.

Com efeito, o projecto e a construção de estruturas em zonas sísmicas são actualmente baseados em disposições regulamentares que conduzem ao desempenho satisfatório das estruturas e garantem a sua segurança em caso de ocorrência de sismos de severidade significativa, e nomeadamente relativamente ao colapso e à perda de vidas humanas. No entanto, é sabido que uma parte significativa dos edifícios existentes, pela sua idade, foi concebida e construída sem a consideração adequada da acção dos sismos, apresentando assim deficiências importantes de comportamento e em muitos casos não possuindo a resistência mínima. A redução da vulnerabilidade das estruturas existentes poderá estar, em grande parte, associada à adopção de medidas de reabilitação das estruturas mais antigas, e em particular as que foram construídas em períodos anteriores à actual regulamentação.

A vulnerabilidade sísmica dos edifícios está intimamente relacionada com as características dos sistemas estruturais e tipologias construtivas, facto evidenciado pelos danos observados em edifícios após sismos intensos. Os principais factores de vulnerabilidade das construções são:

A influência destes factores no comportamento sísmico adquire uma importância particular no caso das construções mais antigas, para as quais não foi considerada adequadamente a acção dos sismos. Como tem sido repetidamente comprovado por levantamentos em escala regional e nacional, uma parcela significativa, senão mesmo maioritária, do parque existente em regiões de sismicidade elevada corresponde a edifícios sem qualquer tipo de dimensionamento sísmico. Em função dos factores de vulnerabilidade atrás referidos, é assim de esperar que muitos destes edifícios apresentem um desempenho sísmico pouco satisfatório, chegando, em muitos casos, a não possuir a resistência sísmica mínima.

1. Edifícios de pequeno porte em alvenaria

Os edifícios de pequeno porte são tipicamente construídos em alvenaria¹. O sistema estrutural é essencialmente constituído por um conjunto de paredes resistentes de alvenaria ortogonais, ligados aos pavimentos e cobertura. A rigidez deste tipo de sistemas é normalmente bastante elevada e a sua resistência sísmica é principalmente determinada pela capacidade dos elementos estruturais transmitirem à fundação, sem colapso, as forças de inércia induzidas pelo sismo. Sob a acção de um sismo na direcção horizontal, geram-se nas paredes forças de inércia proporcionais às suas massas, no próprio plano, nas paredes paralelas à direcção da acção, e transversais ao plano, nas paredes perpendiculares. Estas forças são acrescidas devido à força transmitida pelos pavimentos e pela cobertura.

De um modo geral, a vulnerabilidade sísmica dos edifícios de alvenaria é elevada e os danos mais correntemente observados após ocorrência de sismos intensos são normalmente devidos à desagregação das alvenarias, que resulta principalmente das acelerações elevadas que se desenvolvem perpendicularmente ao plano das paredes, mais importantes nas zonas superiores dos edifícios. Como consequência destes danos nas alvenarias, acompanhados de queda de destroços para o interior e exterior, os pavimentos e coberturas, muitas vezes com entregas insuficientes, perdem o seu apoio e colapsam. Com efeito, nestes edifícios as ligações (paredes-cobertura, paredes-pavimento e parede-parede) podem ser determinantes para a sua resistência sísmica. Mesmo que os elementos estruturais tenham capacidade para, por si, resistirem a esforços elevados, se não estiverem interligados adequadamente, não ficará assegurada a estabilidade global do sistema e podem ocorrer colapsos, por vezes com consequências particularmente desastrosas dada a sua ocorrência brusca.

Figura: Resposta de um edifício de alvenaria com 1 piso. A cobertura tem capacidade para transmitir as forças de inércia às paredes paralelas à direcção do sismo, evitando o colapso transversal ao plano das paredes

Pode considerar-se como causas principais da elevada vulnerabilidade dos edifícios de alvenaria os seguintes factores:

Apresentam-se alguns exemplos de danos em estruturas de alvenaria:

2. Edifícios de betão armado

As estruturas dos edifícios de médio e grande porte são tipicamente construídas em betão armado, e mais raramente em alvenaria. Ainda que corrente noutros países, em Portugal a utilização de estruturas metálicas em edifícios não é representativa.

A alvenaria aparece correntemente em paredes de preenchimento nas estruturas porticadas de betão armado, com influência no seu comportamento sísmico, particularmente se as alvenarias estiverem ligadas aos elementos de betão armado. É frequente desprezar a contribuição destas paredes para a resistência sísmica dos edifícios e admitir-se que a resposta das estruturas a sismos intensos é essencialmente assegurada pelos elementos de betão armado, devendo no entanto esta hipótese ser considerada com alguma precaução. De facto, as alvenarias de preenchimento rigidificam consideravelmente as estruturas e podem contribuir significativamente para a sua resistência sísmica, enquanto não se verificar a sua fendilhação generalizada ou colapso. Por outro lado, a ocorrência de fendilhação ou colapso das alvenarias não será em geral uniforme em toda a estrutura, o que obviamente pode introduzir irregularidades com efeitos não desprezáveis na sua resposta sísmica.

Os sistemas estruturais típicos em edifícios de betão armado são as estruturas em pórtico, constituídas por pilares, vigas e lajes, as estruturas parede, nas quais os elementos verticais são paredes resistentes de betão e a estrutura de piso é constituída por vigas e lajes, e as estruturas mistas pórtico-parede. A resistência sísmica das estruturas parede ou mistas é assegurada pelo funcionamento em corte das paredes resistentes (e parte em flexão, sobretudo nos edifícios mais altos), sendo fundamental neste caso que as lajes de piso tenham uma rigidez no plano suficiente para garantir a transmissão das forças horizontais de inércia para as paredes. Nas estruturas em pórtico, a resistência sísmica está associada ao funcionamento em flexão das vigas e pilares, sendo aqui também importante o efeito de diafragma das lajes de piso na transmissão das forças de inércia entre elementos verticais. Embora as vigas e pilares possam ser dimensionados para serem tão resistentes quanto pretendido, em geral as estruturas parede ou mistas tenderão a ser muito mais rígidas.

A resposta dos edifícios de betão armado pode ser significativamente influenciada pela configuração e geometria, em planta e em altura, do sistema estrutural. Como tem sido continuamente comprovado ao longo do tempo, as estruturas com uma configuração simétrica em planta e regular em altura exibem um comportamento sísmico muito mais satisfatório do que estruturas com alçados complexos e assimetrias ou irregularidades em planta. Quando existe um grande desequilíbrio entre o centro de rigidez e o centro de massa numa estrutura, os efeitos de torção na resposta podem induzir colapsos locais. Uma configuração em planta complexa e irregular corresponde normalmente a estruturas de piso com baixa rigidez no plano. Pode ser extremamente difícil prever a resposta sísmica deste tipo de estruturas e nomeadamente os mecanismos de distribuição de esforços. Por outro lado, a existência de descontinuidades em altura pode conduzir à formação de regiões localizadas de concentração de exigências, com ocorrência de danificação importante.

Nas estruturas em pórtico, a rigidez e resistência relativa entre vigas e pilares pode ser determinante na resposta sísmica. As regras actuais de dimensionamento sísmico destas estruturas impõem que a resistência dos pilares seja superior à das vigas que com eles se cruzam nos nós, de forma a assegurar que a rotura por flexão das vigas ocorre mais cedo do que a dos pilares, dando origem à formação de mecanismos de dissipação estáveis. Se, pelo contrário, a resistência dos pilares for insuficiente e estes romperem antes das vigas, a estabilidade global da estrutura fica comprometida, podendo ocorrer colapsos bruscos.

A vulnerabilidade sísmica dos edifícios de betão armado resulta essencialmente de:

Como têm comprovado os danos observados após ocorrência de sismos intensos, a vulnerabilidade dos edifícios de betão armado pode ser muito elevada, sobretudo perante a combinação dos vários factores.

Apresentam-se alguns exemplos de danos em edifícios de betão armado: